Nanomechanische Charakterisierung von funktionalen Papierfasern und Faserverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Stark
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405549611

Bei der Entwicklung funktionaler Papiere, beispielsweise in Elektronik, Sensorik, Mikrofluidik oder Diagnostik ist es wichtig, die Eigenschaften der verarbeiteten und modifizierten Fasern auf Einzelfaserniveau zu kennen, da sich die Charakteristika im Vlies sowohl von Faser zu Faser und auch entlang einer Faser unterscheiden. Es ist daher das Ziel dieses Projekts, funktionalisierte Fasern und Faser-Verbindungen so zu charakterisieren, dass mechanisch relevante Parameter (Biegesteifigkeit, Zugsteifigkeit, Veränderungen durch Feuchtigkeitsaufnahme) mit hoher Ortsauflösung erfasst werden. Dadurch sollen für diese Parameter die Variabilität sowohl innerhalb einer einzelner Fasern als auch zwischen verschiedenen Fasern erfasst werden. Das Rasterkraftmikroskop (AFM) wird aufgrund der hohen Orts- und Kraftauflösung das zentrale Werkzeug bei der Charakterisierung der Fasern sein. Ergänzt wird die Methodik durch chemisches Mapping mit einem konfokalen Ramanmikroskop, das zum direkten chemischen Nachweis der Beschichtung eingesetzt wird. Mit Hilfe dieser Werkzeuge soll erforscht werden, wie sich die funktionalen Polymere im Vlies und auf den Fasern verteilen wie die Polymere das mechanische Verhalten der trockenen und der feuchten Fasern beeinflussen. Die nanoskopische Charakterisierung mechanischen Eigenschaften mit dem AFM erlaubt es, die Verteilung von Polymeren zu visualisieren und Veränderungen der lokalen mechanischen Eigenschaften der Faser sowohl direkt an der Faseroberfläche als auch bis zu einige 100 nm unterhalb Faseroberfläche nachzuweisen. Durch Bildverarbeitung und Korrelation mit Daten aus der Konfokalmikroskopie, Elektronenmikroskopie und AFM kann so ein detailliertes Bild über die Verteilung von Polymeren im Papiervlies und deren Eigenschaften gewonnen werden. Die genaue Kenntnis der lokalen mechanischen Eigenschaften und das nanomechanische Bild der Feuchtigkeitsaufnahme einzelner Fasern erlaubt es, im Projektverbund die Methoden und Prozesse zur Herstellung und Funktionalisierung von funktionalem Papier sowie die Parametrisierung der numerischen Modellen zu verbessern. Im Zusammenspiel der Teilprojekte entsteht ein detailliertes Bild der Prozesse bei der Wasseraufnahme im funktionalisierten Papier und den Veränderungen der Mechanik bei der Befeuchtung des Papiervlieses.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen